EP1702409A1 - Sicherheitsschalter zum überwachen einer schliessposition zweier relativ zueinander beweglicher teile - Google Patents

Sicherheitsschalter zum überwachen einer schliessposition zweier relativ zueinander beweglicher teile

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EP1702409A1
EP1702409A1 EP04803828A EP04803828A EP1702409A1 EP 1702409 A1 EP1702409 A1 EP 1702409A1 EP 04803828 A EP04803828 A EP 04803828A EP 04803828 A EP04803828 A EP 04803828A EP 1702409 A1 EP1702409 A1 EP 1702409A1
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EP
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sensor
antenna
actuator
safety switch
switch according
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Jürgen FLEINER
Steffen Barth
Dietrich Blaschke
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Pilz GmbH and Co KG
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2066—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of a single coil with respect to a single other coil
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/95—Proximity switches using a magnetic detector
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    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/945—Proximity switches
    • H03K2217/95—Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K2217/958—Proximity switches using a magnetic detector involving transponders

Definitions

  • Safety switch for monitoring a closed position of two parts that are movable relative to one another
  • the present invention relates to a safety switch for monitoring a closed position of two parts that are movable relative to one another, in particular for monitoring a protective door on an automated system, with an actuator and with a sensor, which can be fixed to each of the parts, the actuator being an actuator antenna and Sensor have a sensor antenna, via which the actuator and the sensor are coupled in a transformer-like manner, in particular transponder-like, in the closed position of the parts.
  • Such a safety switch is sold by the company Euchner GmbH & Co. KG, 70771 Leinfelden-Echterdingen, Germany under the product name CES.
  • Safety considerations to protect against accidents play an increasingly important role in the planning and construction of automated systems.
  • Various protective measures are used to protect the systems, in particular emergency stop switches, light barriers or so-called protective doors, which prevent access to a dangerous part of the system in connection with protective fences.
  • the opening of the protective door must be recognized in a fail-safe manner during operation of the system, since the opened protective door poses a security risk.
  • the relevant European standard EN 954-1 and comparable and related regulations e.g. the new IEC EN 61508 or the derived prEN ISO 13849-1) define the requirements for the protective measures.
  • the present invention accordingly relates to safety switches that are provided and designed for the stated purpose and therefore meet at least Category 3 of EN 954-1 or comparable safety requirements.
  • Another generic safety switch is offered by K. A. Schmersal GmbH, 42232 Wuppertal, Germany under the designation BZ 16.
  • This known safety switch has the disadvantage that for every approach direction, i.e. Approach direction from actuator to sensor, a separate switch variant must be used. If, for example, a safety switch is required for an application in which the actuator is not to be brought up to the sensor from the front but from above, another variant of the known safety switch is required. In individual cases, this not only complicates the installation of the safety switch, but also leads to increased storage costs, both on the part of the manufacturer and on the part of the user, since it is desirable for a trouble-free production process to always have a certain number of spare parts of important components available to have.
  • EP 0 968 567 B1 also discloses a basic structure of a transponder-based safety switch for the present application. However, the problem described here is not considered.
  • the sensor antenna has a magnetic directional characteristic which, based on the sensor antenna, enables a transformer coupling to the actuator in at least two mutually perpendicular spatial directions.
  • the directional characteristic of the sensor antenna is designed in the at least two mutually perpendicular spatial directions so that the perpendicular approach directions each ensure a defined switching distance.
  • the switching distance is the few (maximum) distance between the sensor and the actuator, from which the safety switch detects the closed position of the parts that move towards each other.
  • the solution according to the invention uses a sensor antenna for the application area of interest here, which has more than just one defined preferred direction of use.
  • sensor antennas are used in all known generic safety switches that have a directional characteristic with only one usable preferred direction. Accordingly, it is necessary with the generic safety switches either to provide different switch variants or to turn the sensor head in the desired direction.
  • the present solution uses a sensor antenna, which in the simplest case is omnidirectional, which can in principle be approached from any spatial direction.
  • the invention is based, inter alia, on the knowledge that a directional characteristic with only one preferred direction is not required to ensure the required security.
  • the different approach directions open up the possibility of manipulation. However, these can be reliably intercepted in another way, especially when using individually coded transponders.
  • a sensor antenna with only one preferred direction is also not required to ensure a defined switching distance. As has been shown in practical tests by the applicant, defined switching distances can also be realized from several approach directions with the solution according to the invention.
  • the new safety switch makes it easy to change the installation position of the sensor without having to re-assemble or change mechanical parts. Accordingly, the new safety switch can be used flexibly in different directions. The storage costs are reduced without additional assembly effort. The task mentioned at the outset is thus completely achieved.
  • the new solution has the further advantage that the housing construction for the safety switch is simplified, especially when dirt and / or splash-proof housings are desired.
  • the sensor antenna has an essentially omnidirectional directional characteristic.
  • the sensor antenna is therefore not only fixed to two directions of approach, but rather enables the actuator to be approached from numerous spatial directions.
  • the omnidirectional directional characteristic can be limited to one level, thus enabling starting from the front, right, left and possibly from the rear.
  • the omnidirectional directional characteristic is spatial, ie the new sensor antenna also enables starting from above or below.
  • the new sensor antenna thus has a spherical directional characteristic, and it is known to the relevant experts that an exact spherical shape (without dips or "dents") can hardly be achieved in practice.
  • An omni-directional directional characteristic in the sense of the present invention is therefore also then given if the actuator starts moving to the sensor different spatial directions is possible.
  • this embodiment does not rule out that individual spatial directions are excluded for other reasons, for example because of mechanical disabilities caused by supply cables.
  • the preferred embodiment leads to a particularly great flexibility of the new safety switch in relation to the mounting position.
  • this configuration has the advantage that the sensor antenna can be manufactured with greater tolerances and installed in the safety switch, which reduces the manufacturing costs.
  • the sensor antenna contains a multiplicity of partial antennas with differently oriented directional characteristics.
  • the sensor antenna contains, for example, two sub-antennas arranged perpendicular to one another, which are “responsible” for one or two approach directions This configuration simplifies the implementation of the same switching distances in different approach directions.
  • the sensor antenna contains an air coil.
  • the sensor antenna contains a coil which is arranged flat on a component carrier of the sensor. It is particularly preferred if the coil is designed as a conductor track on the component carrier.
  • This configuration enables the new safety switch to have a particularly small and flat design. Surprisingly, it has been shown that this reduction in size is possible without any significant restrictions in terms of the range (switching distance) of the new safety switch. On the contrary, the new flat design enables the new safety switch to be installed more densely on door bars or the like, so that the effective range can even be increased. In addition, this configuration enables a cost reduction, since housing parts can be smaller. It is particularly cost-effective if the coil is implemented as a conductor track on the component carrier, because it enables particularly efficient production.
  • the directional characteristic has a stronger first and a weaker second preferred direction for the transformer coupling and the sensor antenna is arranged in an antenna housing with housing walls, with a distance between the sensor antenna and housing wall being greater in the first preferred direction than in the second preferred direction.
  • the sensor antenna is arranged at a greater distance from the housing wall in the first, stronger preferred direction than in the second, weaker preferred direction. Due to the larger distance and the field strength decreasing with the distance, different switching distances in the different approach directions can be easily and elegantly compensated. In this configuration, the new safety switch therefore has a more uniform response behavior in the different approach directions.
  • the transmitting antenna is arranged perpendicular to the first preferred direction at the same distance from at least two housing walls.
  • This embodiment is particularly advantageous if an air coil is used as the transmitting antenna, since its field distribution perpendicular to the longitudinal axis of the coil is largely rotationally symmetrical. The same distances to the housing walls perpendicular to the first preferred direction make the response behavior of the new safety switch even more uniform.
  • the new safety switch has a sensor housing with one mounting side, with see sensor antenna and mounting side a field insulation is arranged.
  • an electrically and / or magnetically conductive plate for example a copper, aluminum, iron, soft iron and / or ferrite plate, is used as field insulation.
  • a distance between the sensor antenna and the mounting side is approximately 5 mm or more.
  • This configuration also helps to minimize the influence of a metallic mounting surface on the safety switch.
  • the specified distance of about 5 mm between the sensor antenna and the mounting side, measured as the clear distance between the outside of the antenna and the outside of the housing intended for mounting, has changed in practical tests. proven sufficient for reliable operation. Larger distances further reduce the influence of the installation site. In the case of significantly smaller distances, the installation location has too great an influence on the switching distances for safety-related applications.
  • the actuator antenna has a first orientation in the transformer coupling in a first of the at least two vertical spatial directions and a second orientation in the transformer coupling in a second of the at least two vertical spatial directions, the first and the second orientation being about 90 ° are twisted to each other.
  • the actuator (with its actuator antenna) is rotated depending on the desired approach direction.
  • the preferred embodiment has mechanical advantages. In order to ensure a defined switching distance, it is namely desirable to use relatively large coil diameters of, for example, 28 mm on the side of the actuator antenna.
  • the actuator antenna in the antenna axis can be relatively flat, so that the actuator in the antenna axis is much shorter than to the side.
  • the preferred embodiment has the advantage that the actuator can be approached equally close to the sensor regardless of the approach direction. This simplifies assembly and simplifies the provision of defined switching distances. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
  • an automated system with the new safety switch is designated in its entirety with the reference number 10.
  • the safety switch is used for monitoring here the closed position of a protective door 12, which in turn is provided for securing the system.
  • the system is shown here by way of example as a robot 14.
  • the area of application of the new safety switch is, however, not limited to this specific example.
  • the new safety switch can be used to safely monitor any (closed) positions of two parts that are movable relative to each other. This also includes, for example, monitoring a piston position relative to a piston cylinder or another piston, the term “closed position” in this case meaning that the piston is in the area of the other object.
  • the safety switch includes an actuator 16 and a sensor 18.
  • the actuator 16 is attached to the protective door 12 here.
  • the sensor 18 is attached to a wall 20 (or a frame for the protective door 12, not shown here).
  • the actuator 16 In the closed state of the protective door 12 (not shown here), the actuator 16 is in spatial proximity to the sensor 18, which leads to a transponder-like coupling between the actuator 16 and the sensor 18 in the manner explained in more detail below.
  • the protective door 12 is opened, the actuator 16 is removed from the sensor 18, which has the consequence that the transponder-like coupling “breaks off”.
  • the sensor 18 then generates a switching signal which leads to the robot 14 being switched off.
  • the sensor 18 is connected to a safety switching device 22 via two lines.
  • a first line 24 leads from the safety switching device 22 to the sensor 18.
  • the safety switching device 22 can transmit test signals to the sensor 18 via this line in order to check its functional reliability.
  • about the second line 26 receives the safety switching device 22 a switching signal generated by the sensor 18, which signals the closed state of the protective door 12.
  • a preferred type of monitoring of the sensor by the safety switching device 22 is described in the German patent application with the file number 103 34 653.8, the contents of which are hereby fully referred to.
  • the sensor 18 can also be constructed in a different manner in a fail-safe manner in accordance with the relevant regulations (at least category 3 of EN 954-1 or comparable safety requirements).
  • An implementation with a two-channel evaluation structure is described, for example, in EP 0 968 567 B1 mentioned at the beginning.
  • the safety switching device 22 here is preferably a device that meets category 4 of the European standard EN 954-1 or a comparable safety standard.
  • this is a safety switching device of the type PN0Z®elog from the applicant of the present invention.
  • the sensor 18 could also be connected to a programmable safety controller, such as that is marketed by the present applicant under the name PSS®.
  • the sensor 18 of the safety switch 36 has a sensor housing 38 with housing walls 40, 42, 44 (cf. FIG. 3).
  • the sensor housing is divided into two here.
  • the sensor antenna 46 is arranged, which is designed here as an air coil.
  • the air coil 46 is shown schematically here in a section parallel to the longitudinal axis of the coil.
  • An embodiment of the sensor 18 includes that a field insulation 52 is arranged below the sensor antenna 46 (in the illustration in FIG. 2), ie between the sensor antenna 46 and a housing wall provided for mounting the sensor 18.
  • the field insulation can also be the corresponding housing wall itself.
  • the field insulation is an iron plate. In other exemplary embodiments, it is a plate made of soft iron, ferrite, copper, aluminum or the like. It goes without saying that the magnetic field lines 50 in the area below the sensor 18 then take a different course and, in this respect, there is no longer any complete rotational symmetry.
  • the field insulation 52 can be omitted in simpler exemplary embodiments.
  • the sensor antenna 46 is then preferably arranged at a distance of approximately 5 mm or more from the outside of the housing with which the sensor 18 is mounted. This distance is denoted by d 3 in FIG. 3 (however, there with reference to the side housing wall 44).
  • the actuator 16 has, in a manner known per se, an integrated circuit 54 which is connected to an actuator antenna 56.
  • the actuator antenna 56 is also shown here as an air coil, but can also be different in individual cases Own design.
  • a coding is stored in the circuit 54, which is represented here by symbolic lines 58.
  • the coding 58 is individually assigned to the actuator 16, so that the sensor 18 can identify the actuator 16 on the basis of the coding 58.
  • the actuator 16 shown here does not have its own energy supply. Rather, it receives the energy for supplying the integrated circuit 54 from the sensor 18 if the two antennas 46, 56 have a sufficiently strong transformer coupling. Such is the case when the field lines 50 of the magnetic field generated by the sensor antenna 46 with an orthogonal component pass through the cross-sectional area of the actuator antenna 56, as is shown for the actuator 16 in FIG. 2.
  • the circuit 54 is then excited and modulates the existing field with the internal coding 58, which can be detected and evaluated by the circuit 48 in the sensor 18.
  • the transformer coupling depends on the distance between the actuator 16 and the sensor 18. If the distance falls below a defined switching distance, the sensor 18 can read the actuator 16. Communication between the two is not possible outside the appropriate distance.
  • the corresponding switching distance is indicated symbolically in FIG. 2 at reference number 60.
  • the sensor antenna 46 has a largely omnidirectional directional characteristic 62 (cf. FIG. 3). Therefore, a transformer coupling between actuators ger 16 and sensor 18 not only possible here if the actuator 16 is approached from the front, ie in the direction of arrow 64, to the sensor 18. Rather, a coupling is also possible when approaching from the approach directions laterally to the actuator 18 (arrows 66, 68). The reason for this is the field line distribution 50 indicated in FIG. 2. As shown, vertical field line components also occur through the cross-sectional area of the actuator antenna 56 when the actuator 16 is located at the positions labeled 16 'or 16''. The safety switch 36 thus enables directions of approach perpendicular to one another between the actuator 16 and the sensor 18.
  • the orientation of the actuator is currently preferred for the lateral approach direction, which is shown at reference number 16 ′′, i.e. here the actuator is rotated by 90 ° with respect to the approach direction 64.
  • the actuator can be moved close to the sensor regardless of the approach direction.
  • a large coil diameter of the actuator antenna 56 can mechanically impede a close approach.
  • orientation 16 ' is also possible.
  • FIG. 3 shows the directional characteristic 62 of the sensor antenna 46 in a simplified manner. This is, in a manner known per se, the spatial course of the same field strength for a magnetic field component, which here lies parallel to the starting direction 64 (FIG. 2) of the actuator 16. This field line component is decisive when the actuator 16 is approached in the orientation to the sensor 18 which corresponds to the positions at the reference numbers 16 and 16 'in FIG. 2.
  • the actuator is, however, approximately 90 ° twisted orientation (reference numeral 16 '') on 'the sensor 18 in a to the perpendicular field components are essential, which would lead to a different appearance of the directional characteristic (specifically, in the manner of a sesunaigen cloverleaf the leaves of which lie approximately diagonally to the longitudinal axis of the coil 46). Therefore, depending on the orientation of the actuator 16, 16 ′′, different profiles of the directional characteristic and thus different switching distances can result. However, the basic principle of the "non-directional" directional characteristic remains unaffected.
  • the air coil 46 leads to different switching distances between the actuator 16 and the sensor 18 depending on the direction of approach.
  • the air coil 46 is arranged here at different distances d x and d 2 from the housing walls 40 and 42, 44, respectively. Specifically, the air coil 46 is at the same, smaller distance d 2 from the two side housing walls 42, 44, while it is at a greater distance d x from the front housing wall 40.
  • the switching distances when moving off are adjusted to one another in the two preferred directions 72, 74, as is indicated in FIG. 3 by means of the switching distances 60a, 60b.
  • the directional characteristic 82 is approximately the same in the mutually perpendicular spatial directions, it being known to the relevant experts that it can nevertheless have indentations 84 in some places.
  • This approximately uniform formation of the directional characteristic is achieved here by using a plurality of partial antennas 86, 88.
  • two air coils 86, 88 are arranged crosswise to one another and interconnected in such a way that their individual directional characteristics overlap to form the more uniform overall characteristic 82. It is easy to see that the switching distances in the different approach directions 64, 66 can be further adjusted using the directional characteristic 82.
  • the sensor 18 of the safety switch 90 has a sensor antenna 92 in the form of a flat coil. This can be a coil made of wound wire or the like. In the preferred exemplary embodiment, however, the coil 92 is designed as a printed or etched conductor track on a component carrier. Irrespective of this, the coil 92 here has a ferrite core 94 arranged in the center. The ferrite core concentrates the magnetic field lines 50, but in contrast to the ferrite pots of the generic type, it does not ensure a single operating or preferred direction. It goes without saying that such a ferrite core can also be used in the previous exemplary embodiments.
  • the coil 92 is arranged here on a component carrier 98 together with other components 96 of the sensor.
  • An IC which can be, for example, an ASIC, is shown here as another component, by way of example, but not by way of limitation.
  • the actuator antenna 56 is also designed as a flat (air) coil. As shown in FIGS. 5 and 6, the actuator antenna 56 can be coupled to the sensor antenna 92 from several positions due to the protruding field line distribution. This enables the sensor to be approached from different directions without having to remount the sensor or the sensor antenna. On the other hand, the lying arrangement of the antennas results in a very flat design, which enables a small-sized assembly, in particular in the approach position shown in FIG. 6.
  • the present invention has been illustrated here on the basis of preferred exemplary embodiments in which a transponder (tag) known per se is used on the part of the actuator 16.
  • the transformer coupling between actuator 16 and sensor 18, more precisely between actuator antenna 56 and sensor antenna 46, must be strong enough to excite the transponder.
  • this state is referred to as a transponder-like coupling.
  • the principle of the invention can, however, also be applied to safety switches which are not based on the evaluation of a transponder.
  • the general application therefore also includes transformer couplings between actuator 16 and sensor 18, which do not require a transponder.

Abstract

Ein Sicherheitsschalter, der insbesondere zum Überwachen einer Schutztür an einer automatisierten Anlage vorgesehen ist, be­sitzt einen Betätiger (16) und einen Sensor (18). In dem Betä­tiger (16) ist eine Betätigerantenne (56) und in dem Sensor (18) eine Sensorantenne (46) angeordnet. Betätiger (16) und Sensor (18) sind in der Schliessposition der Schutztür transfor­matorisch, insbesondere transponderartig, miteinander gekop­pelt. Gemäss einem Aspekt der Erfindung besitzt die Sensoranten­ne (46) eine magnetische Richtcharakteristik, die ausgehend von der Sensorantenne (46) in zumindest zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen (64, 66, 68) eine transformatorische Kopplung mit dem Betätiger (16) ermöglicht.

Description

Sicherheitsschalter zum Überwachen einer Schließposition zweier relativ zueinander beweglicher Teile
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sicherheitsschalter zum Überwachen einer Schließposition zweier relativ zueinander beweglicher Teile, insbesondere zum Überwachen einer Schutztür an einer automatisierten Anlage, mit einem Betätiger und mit einem Sensor, die an jeweils einem der Teile fixierbar sind, wobei der Betätiger eine Betätigerantenne und der Sensor eine Sensorantenne besitzen, über die der Betätiger und der Sensor in der Schließposition der Teile transformatorisch, insbesondere transponderartig, gekoppelt sind.
Ein solcher Sicherheitsschalter wird von der Firma Euchner GmbH & Co. KG, 70771 Leinfelden-Echterdingen, Deutschland unter der Produktbezeichnung CES vertrieben. Bei der Planung und Konstruktion von automatisiert arbeitenden Anlagen spielen Sicherheitsüberlegungen zum Schutz vor Unfällen eine zunehmend größere Rolle. Zur Absicherung der Anlagen werden verschiedene Schutzmaßnahmen eingesetzt, insbesondere Not- Aus-Schalter, Lichtschranken oder auch sog. Schutztüren, die den Zugang zu einem gefahrbringenden Teil der Anlage in Verbindung mit Schutzzäunen verhindern. Das Öffnen der Schutztür muss im Betrieb der Anlage fehlersicher erkannt werden, da die geöffnete Schutztür ein Sicherheitsrisiko darstellt. Die einschlägige europäische Norm EN 954-1 und vergleichbare und verwandte Vorschriften (bspw. die neue IEC EN 61508 oder die daraus abgeleitete prEN ISO 13849-1) legen die Anforderungen an die Schutzmaßnahmen fest. Die vorliegende Erfindung bezieht sich dementsprechend auf Sicherheitsschalter, die für den genannten Einsatzzweck vorgesehen und ausgebildet sind und daher zumindest der Kategorie 3 der EN 954-1 oder vergleichbare Sicherheitsanforderungen erfüllen.
Um die Schließposition einer Schutztür, allgemeiner zweier relativ zueinander beweglicher Teile, mit hinreichender Fehlersicherheit zu überwachen, sind im Stand der Technik verschiedene SicherheitsSchalter bekannt. Neben mechanischen Schaltern, die gleichzeitig auch eine Verriegelungsfunktion bieten können, gibt es verschiedene Arten von berührungslosen Sicherheitsschaltern. Diese bieten in verschmutzten Umgebungen Vorteile. Betätiger und Sensor sind bei einem bekannten Typ von berührungslosen SicherheitsSchaltern in der Schließposition magnetisch miteinander gekoppelt. Um Manipulationen zu verhindern, werden teilweise kodierte Magnetanordnungen verwendet. Bei einem anderen Typ berührungsloser SicherheitsSchalter nutzt man eine individuell kodierte Kommunikation zwischen Sensor und Betätiger, die nur in der Schließstellung der beweglichen Teile möglich ist. Für derartige Sicherheitsschalter kommen insbesondere sog. Transponder (teilweise auch „Tag** genannt) zur Anwendung. Diese übertragen bei einer transformatorischen Kopplung mit dem Sensor eine individuelle Codierung an den Sensor. Zu dieser Art von SicherheitsSchaltern gehört der eingangs genannte Schalter der Firma Euchner.
Ein weiterer gattungsgemäßer Sicherheitsschalter wird von der Firma K. A. Schmersal GmbH, 42232 Wuppertal, Deutschland unter der Bezeichnung BZ 16 angeboten. Dieser bekannte Sicherheitsschalter besitzt den Nachteil, dass für jede Anfahrrichtung, d.h. Annäherungsrichtung von Betätiger zum Sensor, eine eigene Schaltervariante verwendet werden muss. Wird beispielsweise für eine Anwendung ein Sicherheitsschalter benötigt, bei dem der Betätiger nicht von vorne, sondern von oben an den Sensor herangeführt werden soll, ist eine andere Variante des bekannten Sicherheitsschalters erforderlich. Dies erschwert in Einzelfällen nicht nur die Montage des SicherheitsSchalters, sondern führt auch zu erhöhten Lagerhaltungskosten, und zwar sowohl auf Seiten des Herstellers als auch auf Anwenderseite, da es für einen störungsfreien Produktionsablauf wünschenswert ist, immer eine gewisse Anzahl an Ersatzteilen wichtiger Komponenten zur Verfügung zu haben.
Bei dem eingangs genannten SicherheitsSchalter CES von Euchner ist es zur Vermeidung dieses Problems möglich, den „Sensorkopf", d.h. denjenigen Teil des Sensors, der die Sensorantenne beinhaltet, in verschiedenen Orientierungen an dem Sicherheits- Schalter zu montieren. Durch Verkippen des Sensorkopfes können daher unterschiedliche Anfahrrichtungen realisiert werden. Diese Lösung ermöglicht zwar eine reduzierte Lagerhaltung, sie ist jedoch umständlich bei der Montage.
Aus EP 0 968 567 Bl ist ferner ein grundsätzlicher Aufbau eines transponderbasierten Sicherheitsschalters für den vorliegenden Anwendungszweck bekannt. Das hier beschriebene Problem wird jedoch nicht betrachtet.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Sicherheitsschalter derart weiterzubilden, dass bei gleich hoher Sicherheit eine einfachere Montage und eine reduzierte Lagerhaltung möglich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass die Sensorantenne eine magnetische Richtcharakteristik besitzt, die ausgehend von der Sensorantenne in zumindest zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen eine transformatorische Kopplung mit dem Betätiger ermöglicht.
Unterschiedliche Anfahrrichtungen des Betätigers werden hiernach also durch eine neue Richtcharakteristik der Sensorantenne ermöglicht, wobei diese Richtcharakteristik im konkreten Fall auch noch von der jeweiligen Orientierung des Betätigers zur Sensorantenne abhängt (wird im folgenden noch näher erläutert). Es versteht sich in diesem Zusammenhang, dass die Richtcharakteristik der Sensorantenne in den zumindest zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen so ausgebildet ist, dass die zueinander senkrechten Anfahrrichtungen jeweils einen definierten Schaltabstand gewährleisten. Der Schaltabstand ist dabei dieje- nige (maximale) Entfernung zwischen Sensor und Betätiger, ab der der Sicherheitsschalter die Schließposition der zueinander beweglichen Teile erkennt.
Die erfindungsgemäße Lösung verwendet damit erstmals für den hier interessierenden Anwendungsbereich eine Sensorantenne, die mehr als nur eine definiert nutzbare Vorzugsrichtung besitzt. Im Gegensatz dazu kommen bei allen bekannten gattungsgemäßen SicherheitsSchaltern Sensorantennen zum Einsatz, die eine Richtcharakteristik mit nur einer nutzbaren Vorzugsrichtung haben. Dementsprechend ist es bei den gattungsgemäßen Sicherheitsschaltern erforderlich, entweder unterschiedliche Schaltervarianten bereitzustellen oder den Sensorkopf in die gewünschte Richtung zu verdrehen. Im Gegensatz dazu nutzt die vorliegende Lösung eine im einfachsten Fall ungerichtete Sensorantenne, die grundsätzlich aus beliebigen Raumrichtungen angefahren werden kann.
Die Erfindung basiert u.a. auf der Erkenntnis, dass eine Richtcharakteristik mit nur einer Vorzugsrichtung zur Gewährleistung der erforderlichen Sicherheit nicht erforderlich ist. Theoretisch eröffnen die verschiedenen Anfahrrichtungen zwar die Möglichkeit von Manipulationen. Diese lassen sich jedoch auf andere Weise, insbesondere bei Verwendung individuell kodierter Transponder, zuverlässig abfangen. Auch für die Gewährleistung eines definierten Schaltabstandes ist eine Sensorantenne mit nur einer Vorzugsrichtung nicht erforderlich. Wie sich bei praktischen Versuchen der Anmelderin gezeigt hat, können definierte Schaltabstände auch aus mehreren Anfahrrichtungen mit der erfindungsgemäßen Lösung realisiert werden. Der neue Sicherheitsschalter erlaubt einen einfachen Wechsel der Einbaulage des Sensors, ohne dass dazu mechanische Teile ummontiert oder geändert werden müssen. Dementsprechend kann der neue Sicherheitsschalter flexibel in verschiedenen Anfahrrichtungen eingesetzt werden. Die Lagerhaltungskosten sind ohne zusätzlichen Montageaufwand reduziert. Die eingangs genannte Aufgabe ist somit vollständig gelöst.
Darüber hinaus besitzt die neue Lösung den weiteren Vorteil, dass sich die Gehäusekonstruktion für den SicherheitsSchalter vereinfacht, insbesondere wenn schmutz- und/oder spritzwassergeschützte Gehäuse gewünscht sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Sensorantenne eine im Wesentlichen rundstrahlerartige Richtcharakteristik.
In dieser Ausgestaltung ist die Sensorantenne somit nicht nur auf zwei Anfahrrichtungen festgelegt, sondern sie ermöglicht das Anfahren des Betätigers aus zahlreichen Raumrichtungen. Die rundstrahlerartige Richtcharakteristik kann dabei auf eine Ebene beschränkt sein, also ein Anfahren von vorne, rechts, links und eventuell von hinten ermöglichen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die rundstrahlerartige Richtcharakteristik aber räumlich, d.h. die neue Sensorantenne ermöglicht zudem auch ein Anfahren von oben oder unten. Im Idealfall besitzt die neue Sensorantenne somit eine kugelartige Richtcharakteristik, wobei den einschlägigen Fachleuten bekannt ist, dass eine exakte Kugelform (ohne Einbrüche oder „Dellen") in der Praxis kaum zu realisieren ist. Eine rundstrahlerartige Richtcharakteristik im Sinne der vorliegenden Erfindung ist daher auch dann gegeben, wenn ein Anfahren des Betätigers an den Sensor aus zahl- reichen unterschiedlichen Raumrichtungen möglich ist. Diese Ausgestaltung schließt ferner nicht aus, dass einzelne Raumrichtungen aus anderen Gründen, beispielsweise wegen mechanischer Behinderungen durch Zuleitungskabel, ausgeschlossen sind.
Die bevorzugte Ausgestaltung führt zu einer besonders großen Flexibilität des neuen Sicherheitsschalters in Bezug auf die Montagelage. Darüber hinaus besitzt diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die Sensorantenne mit größeren Toleranzen hergestellt und in dem SicherheitsSchalter montiert werden kann, was die Herstellungskosten reduziert.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Sensorantenne eine Vielzahl von Teilantennen mit unterschiedlich ausgerichteten Richtcharakteristiken.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Sensorantenne beispielsweise zwei senkrecht zueinander angeordnete Teilantennen, die für jeweils eine oder zwei Anfahrrichtungen „verantwortlich" sind. Durch Umschalten zwischen den Antennen oder auch durch Überlagerung der Richtcharakteristiken bei gleichzeitigem Betrieb kann eine rundstrahlerartige Richtcharakteristik mit großer Gleichmäßigkeit realisiert werden. Daher vereinfacht diese Ausgestaltung die Realisierung gleicher Schaltabstände in unterschiedlichen Anfahrrichtungen .
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Sensorantenne eine Luftspule.
Die Verwendung von Spulen als Sensorantennen ist bei gattungsgemäßen SicherheitsSchaltern durchaus üblich. In allen bislang bekannten Fällen werden die Spulen jedoch in einem Ferrittopf eingesetzt, um die übliche „einseitige" Richtcharakteristik zu erreichen. Bei einer Luftspule handelt es sich demgegenüber hier um eine Leiterschleife, die ohne Ferrittopf (ggf. jedoch mit einem Ferritkern zur Erhöhung der Induktivität) arbeitet. Auf Grund der reduzierten Teilevielfalt dieser Ausgestaltung sind die Materialkosten und der Montageaufwand bei der Herstellung geringer. Darüber hinaus bietet eine Luftspule von sich aus bereits eine Feldverteilung, die mehrere zueinander senkrechte Anfahrrichtungen ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Sensorantenne eine Spule, die auf einem Bauteilträger des Sensors flach angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spule dabei als Leiterbahn auf dem Bauteilträger ausgebildet ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders kleine und flache Bauform des neuen Sicherheitsschalters. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass diese Verkleinerung der Baugröße ohne nennenswerte Einschränkungen in Bezug auf die Reichweite (Schaltabstand) des neuen Sicherheitsschalters möglicht ist. Im Gegenteil, die neue flache Bauform ermöglicht eine dichtere Montage des neuen Sicherheitsschalters an Türholmen o.a., so dass der effiektiv nutzbare Rechweitenbereich sogar größer wird. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung eine Kostenreduzierung, da Gehäuseteile kleiner ausfallen können. Besonders kostengünstig ist es, wenn man die Spule als Leiterbahn auf dem Bauteilträger realisiert, weil damit eine besonders rationelle Herstellung möglich wird. In einer weiteren Ausgestaltung weist die Richtcharakteristik eine stärkere erste und eine schwächere zweite Vorzugsrichtung für die transformatorische Kopplung auf und die Sensorantenne ist in einem Antennengehäuse mit Gehäusewänden angeordnet, wobei ein Abstand zwischen Sensorantenne und Gehäusewand in der ersten Vorzugsrichtung größer ist als in der zweiten Vorzugsrichtung.
In dieser Ausgestaltung ist die Sensorantenne in der ersten, stärkeren Vorzugsrichtung mit größerem Abstand zu der Gehäusewand angeordnet als in der zweiten, schwächeren Vorzugsrichtung. Auf Grund des größeren Abstandes und der mit der Entfernung abnehmenden Feldstärke lassen sich unterschiedliche Schaltabstände in den verschiedenen Anfahrrichtungen einfach und elegant ausgleichen. Der neue SicherheitsSchalter besitzt in dieser Ausgestaltung daher ein gleichmäßigeres Ansprechverhalten in den verschiedenen Anfahrrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Sendeantenne senkrecht zu der ersten Vorzugsrichtung in gleichem Abstand zu zumindest zwei Gehäusewänden angeordnet.
Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn als Sendeantenne eine Luftspule verwendet wird, da deren Feldverteilung senkrecht zur Spulenlängsachse weitgehend rotationssymmetrisch ist. Durch die gleichen Abstände zu den Gehäusewänden senkrecht zu der ersten Vorzugsrichtung wird das Ansprechverhalten des neuen SicherheitsSchalters noch gleichmäßiger.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt der neue Sicherheitsschalter ein Sensorgehäuse mit einer Montageseite, wobei zwi- sehen Sensorantenne und Montageseite eine Feldisolierung angeordnet ist. Als Feldisolierung kommt insbesondere eine elektrisch und/oder magnetisch leitfähige Platte, beispielsweise also eine Kupfer-, Aluminium-, Eisen-, Weicheisen- und/oder Ferritplatte zur Anwendung.
Diese Ausgestaltung beseitigt einen möglichen Nachteil des neuen Sicherheitsschalters, nämlich die mögliche Beeinflussung der Richtcharakteristik durch Materialien am Montageort. Typischerweise werden gattungsgemäße SicherheitsSchalter mit einer Montageseite an einem der relativ zueinander beweglichen Teile, beispielsweise also an einem Türrahmen, angeschraubt. Wenn dieser Türrahmen aus Metall besteht, kann die Richtcharakteristik der Sensorantenne beeinflusst werden. Hierdurch können die Schaltabstände variieren. In der bevorzugten Ausgestaltung wird dieser Einfluss reduziert und/oder in einer determinierten Weise vorweggenommen. Die Montage des Sensors auf einer Metallplatte hat damit keinen oder zumindest einen deutlich geringeren Einfluss auf die Sensorantenne. Die Betriebsparameter des neuen Sicherheitsschalters können mit geringeren Toleranzen eingehalten werden.
In einer weiteren Ausgestaltung beträgt ein Abstand zwischen der Sensorantenne und der Montageseite etwa 5 mm oder mehr.
Auch diese Ausgestaltung trägt dazu bei, den Einfluss einer metallischen Montagefläche auf den Sicherheitsschalter zu minimieren. Der angegebene Abstand von etwa 5 mm zwischen der Sensorantenne und der Montageseite, gemessen als lichter Abstand zwischen der Außenseite der Antenne und der für die Montage vorgesehenen Gehäuseaußenseite, hat sich bei praktischen Versu- chen als ausreichend für einen zuverlässigen Betrieb erwiesen. Größere Abstände verringern den Einfluss des Montageortes weiter. Bei wesentlich kleineren Abständen besteht ein für die Sicherheitstechnische Anwendung zu großer Einfluss des Montageortes auf die Schaltabstände.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Betätigerantenne bei der transformatorischen Kopplung in einer ersten der zumindest zwei senkrechten Raumrichtungen eine erste Orientierung und bei der transformatorischen Kopplung in einer zweiten der zumindest zwei senkrechten Raumrichtungen eine zweite Orientierung auf, wobei die erste und die zweite Orientierung um etwa 90° verdreht zueinander sind.
Die bedeutet mit anderen Worten, dass der Betätiger (mit seiner Betätigerantenne) in Abhängigkeit von der gewünschten Anfahrrichtung gedreht wird. Alternativ hierzu ist es grundsätzlich auch möglich, die Orientierung des Betätigers für jede Anfahrrichtung gleich zu belassen. Die bevorzugte Ausgestaltung besitzt demgegenüber mechanische Vorteile. Um einen definierten Schaltabstand zu gewährleisten, ist es nämlich wünschenswert, relativ große Spulendurchmesser von bspw. 28 mm auf Seiten der Betätigerantenne zu verwenden. Andererseits kann die Betätigerantenne in der Antennenachse relativ flach sein, so dass der Betätiger in der Antennenachse viel kürzer ist als seitlich dazu. Die bevorzugte Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass der Betätiger unabhängig von der Anfahrrichtung jeweils gleich nah an den Sensor herangefahren werden kann. Dies erleichtert die Montage und vereinfacht die Bereitstellung definierter Schaltabstände . Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer automatisierten Anlage mit dem neuen Sicherheitsschalter,
Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels des neuen Sicherheitsschalters,
Fig. 3 den Sicherheitsschalter aus Fig. 2 mit seiner magnetischen Richtcharakteristik in vereinfachter Darstellung,
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für ein weiteres Ausführungsbeispiel des neuen Sicherheitsschalters,
Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des neuen Sicherheitsschalters, und
Fig. 6 den Sicherheitsschalter aus Fig. 5 in einer zweiten Betriebsposition.
In Fig. 1 ist eine automatisierte Anlage mit dem neuen Sicherheitsschalters in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Sicherheitsschalter dient hier zum Überwachen der Schließposition einer Schutztür 12, die ihrerseits zum Absichern der Anlage vorgesehen ist. Beispielhaft ist die Anlage hier als Roboter 14 dargestellt. Der Einsatzbereich des neuen SicherheitsSchalters ist jedoch nicht auf dieses konkrete Beispiel beschränkt. Generell kann der neue Sicherheitsschalter zum sicheren Überwachen jeglicher (Schließ-)Positionen von zwei relativ zueinander beweglichen Teilen verwendet werden. Dies beinhaltet beispielsweise auch die Überwachung einer Kolbenposition relativ zu einem Kolbenzylinder oder einem anderen Kolben, wobei der Begriff „Schließposition" in diesem Fall bedeutet, dass der Kolben sich im Bereich des anderen Gegenstandes befindet.
Der Sicherheitsschalter beinhaltet einen Betätiger 16 und einen Sensor 18. Der Betätiger 16 ist hier an der Schutztür 12 angebracht. Der Sensor 18 ist an einer Wand 20 (oder einem hier nicht dargestellten Rahmen für die Schutztür 12) angebracht. Im geschlossenen Zustand der Schutztür 12 (hier nicht dargestellt) befindet sich der Betätiger 16 in räumlicher Nähe zum Sensor 18, was in der nachfolgend näher erläuterten Weise zu einer transponderartigen Kopplung zwischen Betätiger 16 und Sensor 18 führt. Beim Öffnen der Schutztür 12 wird der Betätiger 16 vom Sensor 18 entfernt, was zur Folge hat, dass die transponderar- tige Kopplung „abreißt". Der Sensor 18 erzeugt daraufhin ein Schaltsignal, das zum Abschalten des Roboters 14 führt.
Der Sensor 18 ist hier über zwei Leitungen mit einem Sicherheitsschaltgerät 22 verbunden. Eine erste Leitung 24 führt vom Sicherheitsschaltgerät 22 zum Sensor 18. Über diese Leitung kann das Sicherheitsschaltgerät 22 Testsignale an den Sensor 18 übertragen, um dessen Funktionssicherheit zu überprüfen. Über die zweite Leitung 26 empfängt das Sicherheitsschaltgerät 22 ein vom Sensor 18 erzeugtes Schaltsignal, das den Schließzustand der Schutztür 12 signalisiert. Eine bevorzugte Art der Überwachung des Sensors durch das Sicherheitsschaltgerät 22 ist in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 34 653.8 beschrieben, auf deren Inhalt hier vollumfänglich Bezug genommen wird. Alternativ hierzu kann der Sensor 18 jedoch auch in anderer Weise fehlersicher im Sinne der einschlägigen Vorschriften (zumindest Kategorie 3 der EN 954-1 oder vergleichbare Sicherheitsanforderungen) aufgebaut sein. Eine Realisierung mit einer zweikanaligen Auswertestruktur ist beispielsweise in der eingangs genannten EP 0 968 567 Bl beschrieben.
Ausgangsseitig steuert das Sicherheitsschaltgerät 22 hier zwei Schütze 28, 30, deren Arbeitskontakte in an sich bekannter Weise in einer Stromzuführung 32 des Roboters 14 angeordnet sind. Über die Schütze 28, 30 unterbricht das Sicherheitsschaltgerät 22 die Stromzufuhr für den Roboter 14, wenn mit Hilfe der Betätiger-Sensor-Ko bination 16, 18 ein Öffnen der Schutztür 12 festgestellt wird, oder wenn im Rahmen der erwähnten Fehlerüberwachung ein Undefinierter und damit sicherheits- kritischer Zustand erkannt wird.
Bei dem Sicherheitsschaltgerät 22 handelt es sich hier vorzugsweise um ein Gerät, das die Kategorie 4 der europäischen Norm EN 954-1 oder eine vergleichbare Sicherheitsnorm erfüllt. Beispielsweise handelt es sich hier um ein Sicherheitsschaltgerät vom Typ PN0Z®elog der Anmelderin der vorliegenden Erfindung. Alternativ hierzu könnte der Sensor 18 jedoch auch mit einer programmierbaren Sicherheitssteuerung verbunden sein, wie sie von der vorliegenden Anmelderin unter der Bezeichnung PSS® vertrieben wird.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Sicherheitsschalters in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 36 bezeichnet. Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie zuvor.
Der Sensor 18 des Sicherheitsschalters 36 besitzt ein Sensorgehäuse 38 mit Gehäusewänden 40, 42, 44 (vgl. Fig. 3). Das Sensorgehäuse ist hier zweigeteilt. In einem ersten Teil ist die Sensorantenne 46 angeordnet, die hier als Luftspule ausgebildet ist. Schematisch dargestellt ist die Luftspule 46 hier in einem Schnitt parallel zur Spulenlängsachse.
In dem zweiten Teil des Sensorgehäuses 38 ist eine elektronische Schaltung 48 angeordnet, mit der die Sensorantenne 46 verbunden ist. Die Schaltung 48 beinhaltet insbesondere einen sog. Tag-Reader, d.h. einen Schaltkreis, der Transpondersignale des Betätigers 16 dekodiert und die individuelle Kennung als Datenwert bereitstellt. Ferner ist eine fehlersichere Auswerteeinheit enthalten, die abhängig von den Signalen des Betätigers 16 ein Schaltsignal für das Sicherheitsschaltgerät 22 erzeugt. Zu diesem Zweck ist die Schaltung 48 über einen Anschluss 49 mit dem Sicherheitsschaltgerät 22 verbindbar.
Die hier zweiteilige Ausbildung des Sensorgehäuses 38 ist für die praktische Realisierung der vorliegenden Erfindung nicht zwingend notwendig, sie besitzt jedoch Vorteile, da sie eine gleichmäßigere Feldausbreitung der Sensorantenne 46 sowie eine bessere Entkopplung der Schaltung 48 ermöglicht. Mit der BezugsZiffer 50 sind die magnetischen Feldlinien bezeichnet, die das magnetische Feld um die Luftspule 46 herum charakterisieren. Die Feldlinien 50 bilden sich weitgehend rotationssymmetrisch zur Längsachse der Luftspule 46 aus. Etwaige Störungen des hier gezeigten idealtypischen Verlaufs , beispielsweise durch die Schaltung 48 oder Metallteile in der Umgebung des Sensors, sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Eine Ausbildung des Sensors 18 beinhaltet, dass unterhalb der Sensorantenne 46 (in der Darstellung in Fig. 2), d.h. zwischen der Sensorantenne 46 und einer zur Montage des Sensors 18 vorgesehenen Gehäusewand, eine Feldisolierung 52 angeordnet ist. Die Feldisolierung kann auch die entsprechende Gehäusewand selbst sein. In einem Ausführungsbeispiel ist die Feldisolierung eine Eisenplatte. In anderen Ausführungsbeispielen handelt es sich um eine Platte aus Weicheisen, Ferrit, Kupfer, Aluminium oder dgl. Es versteht sich, dass die magnetischen Feldlinien 50 im Bereich unterhalb des Sensors 18 dann einen anderen Verlauf annehmen und insofern keine vollständige RotationsSymmetrie mehr vorliegt. In einfacheren Ausführungsbeispielen kann die Feldisolierung 52 entfallen. Bevorzugt ist die Sensorantenne 46 dann in einem Abstand von etwa 5 mm oder mehr zu der Gehäuseaußenseite angeordnet, mit der der Sensor 18 montiert wird. Dieser Abstand ist in Fig. 3 (dort allerdings mit Bezug auf die seitliche Gehäusewand 44) mit d3 bezeichnet.
Der Betätiger 16 besitzt in an sich bekannter Weise eine integrierte Schaltung 54, die mit einer Betätigerantenne 56 verbunden ist. Die Betätigerantenne 56 ist hier ebenfalls als Luftspule dargestellt, kann im Einzelfall jedoch auch eine andere Bauform besitzen. In der Schaltung 54 ist eine Codierung abgespeichert, die hier durch symbolische Striche 58 dargestellt ist. Die Codierung 58 ist dem Betätiger 16 individuell zugeordnet, so dass der Sensor 18 den Betätiger 16 an Hand der Codierung 58 identifizieren kann.
Typisch für den hier gezeigten Betätiger 16 ist, dass er keine eigene Energieversorgung besitzt. Die Energie zur Versorgung der integrierten Schaltung 54 erhält er vielmehr von dem Sensor 18, wenn die beiden Antennen 46, 56 eine hinreichend starke transformatorische Kopplung aufweisen. Eine solche liegt dann vor, wenn die Feldlinien 50 des von der Sensorantenne 46 erzeugten Magnetfeldes mit einer orthogonalen Komponente durch den Flächenquerschnitt der Betätigerantenne 56 hindurchtreten, wie das für den Betätiger 16 in Fig. 2 dargestellt ist. Die Schaltung 54 wird dann angeregt und moduliert das vorhandene Feld mit der internen Codierung 58, was von der Schaltung 48 im Sensor 18 detektiert und ausgewertet werden kann.
Da das magnetische Feld 50 der Sensorantenne 46 mit zunehmender Entfernung schwächer wird, hängt die transformatorische Kopplung von der Entfernung zwischen Betätiger 16 und Sensor 18 ab. Unterschreitet die Entfernung einen definierten Schaltabstand, kann der Sensor 18 den Betätiger 16 auslesen. Außerhalb der entsprechenden Entfernung ist eine Kommunikation zwischen den beiden nicht möglich. Der entsprechende Schaltabstand ist in Fig. 2 symbolisch bei der Bezugsziffer 60 angedeutet.
Die Sensorantenne 46 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel eine weitgehend rundstrahlerartige Richtcharakteristik 62 (vgl. Fig. 3). Daher ist eine transformatorische Kopplung zwischen Betäti- ger 16 und Sensor 18 hier nicht nur möglich, wenn der Betätiger 16 von vorne, d.h. in Richtung des Pfeils 64, an den Sensor 18 angenähert wird. Vielmehr ist eine Kopplung auch bei einer Annäherung aus den Anfahrrichtungen seitlich zum Betätiger 18 (Pfeile 66, 68) möglich. Ursache hierfür ist die in Fig. 2 angedeutete Feldlinienverteilung 50. Wie dargestellt, treten senkrechte Feldlinienkomponenten auch durch den Flächenquerschnitt der Betätigerantenne 56, wenn sich der Betätiger 16 an den mit 16' bzw. 16'' gekennzeichneten Positionen befindet. Der Sicherheitsschalter 36 ermöglicht damit zueinander senkrechte Anfahrrichtungen zwischen Betätiger 16 und Sensor 18.
Für die seitliche Anfahrrichtung ist in der praktischen Realisierung derzeit die Orientierung des Betätigers bevorzugt, die bei der Bezugsziffer 16'' gezeigt ist, d.h. der Betätiger ist hier gegenüber der Anfahrrichtung 64 um 90° verdreht. Der Betätiger kann in diesem Fall unabhängig von der Anfahrrichtung gleich dicht an den Sensor herangefahren werden. Im anderen Fall (Orientierung gemäß 16') kann ein großer Spulendurchmesser der Betätigerantenne 56 eine dichte Annäherung mechanisch behindern. Grundsätzlich ist jedoch auch die Orientierung 16' möglich.
In Fig. 3 ist die Richtcharakteristik 62 der Sensorantenne 46 vereinfacht dargestellt. Dabei handelt es sich hier in an sich bekannter Weise um den räumlichen Verlauf gleicher Feldstärke für eine magnetische Feldkomponente, die hier parallel zur Anfahrriσhtung 64 (Fig. 2) des Betätigers 16 liegt. Diese Feldlinienkomponente ist maßgeblich, wenn der Betätiger 16 in der Orientierung an den Sensor 18 angenähert wird, die den Positionen bei den Bezugsziffern 16 bzw. 16' in Fig. 2 entspricht. Wird der Betätiger hingegen in einer dazu um 90° verdrehten Orientierung (Bezugsziffer 16'') an ' den Sensor 18 angenähert, sind die dazu senkrechten Feldkomponenten maßgeblich, was zu einem anderen Aussehen der Richtcharakteristik führen würde (konkret in der Art eines vierblätterigen Kleeblattes, dessen Blätter etwa diagonal zur Längsachse der Spule 46 liegen). Daher können sich abhängig von der Orientierung des Betätigers 16, 16'' unterschiedliche Verläufe der Richtcharakteristik und damit unterschiedliche Schaltabstände ergeben. Das Grundprinzip der „ungerichteten" Richtcharakteristik bleibt davon jedoch unberührt.
Wie in Fig. 3 dargestellt, besitzt die Richtcharakteristik 62 hier eine erste Vorzugsrichtung 72 in Richtung der Längsachse der Luftspule 46 sowie eine zweite Vorzugsrichtung 74 quer dazu. Die beiden Vorzugsrichtungen 72, 74 sind bei einer Luftspule grundsätzlich symmetrisch zu einer Ebene durch den gedachten Mittelpunkt 76 der Luftspule 46. Daher gibt es hier jeweils zwei gleichstarke Vorzugsrichtung, die entgegengesetzt zueinander liegen. Im Vergleich zueinander sind die beiden Vorzugsrichtungen 72, 74 jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt, wie sich an Hand des zur Veranschaulichung eingezeichneten Kreises 78 erkennen lässt. Konkret ist die erste Vorzugsrichtung 72 (parallel zur Längsachse der Luftspule 46) stärker ausgeprägt als die zweite Vorzugsrichtung 74. Mit anderen Worten liegt in der ersten Vorzugsrichtung 72 bei gleicher Entfernung zur Luftspule 46 eine höhere Feldstärke vor und der Verlauf gleicher Feldstärke reicht in der ersten Vorzugsrichtung 72 bis zu einer größeren Entfernung. Daher führt die Luftspule 46 an sich zu unterschiedlichen Schaltabständen zwischen Betätiger 16 und Sensor 18 in Abhängigkeit von der Anfahrrichtung. Zum Ausgleich dessen ist die Luftspule 46 hier mit unterschiedlichen Abständen dx und d2 zu den Gehäusewänden 40 bzw. 42, 44 angeordnet. Konkret besitzt die Luftspule 46 zu den beiden seitlichen Gehäusewänden 42, 44 den gleichen, geringeren Abstand d2, während sie zu der vorderen Gehäusewand 40 einen größeren Abstand dx aufweist. Hierdurch werden die Schaltabstände beim Anfahren in den beiden Vorzugsrichtungen 72, 74 aneinander angeglichen, wie in Fig. 3 an Hand der Schaltabstände 60a, 60b angedeutet ist.
Fig. 4 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung eine weitere Richtcharakteristik 82 für eine Sensorantenne. Die Richtcharakteristik 82 ist in den zueinander senkrechten Raumrichtungen annähernd gleich ausgeprägt, wobei den einschlägigen Fachleuten bekannt ist, dass sie trotzdem an einigen Stellen Einbuchtungen 84 aufweisen kann. Erreicht wird diese hier annähernd gleichmäßige Ausbildung der Richtcharakteristik durch die Verwendung mehrerer Teilantennen 86, 88. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind beispielsweise zwei Luftspulen 86, 88 kreuzweise zueinander angeordnet und so miteinander verschaltet, dass sich ihre individuellen Richtcharakteristiken zu der gleichmäßigeren Gesamtcharakteristik 82 überlagern. Es ist leicht einzusehen, dass sich mit der Richtcharakteristik 82 die Schaltabstände in den unterschiedlichen Anfahrrichtungen 64, 66 noch weiter angleichen lassen.
Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des neuen Sicherheitsschalters, der hier in seiner Gesamtheit mit der BezugsZiffer 90 bezeichnet ist. Im übrigen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie zuvor. Der Sensor 18 des Sicherheitsschalters 90 besitzt eine Sensorantenne 92 in Form einer flach liegenden Spule. Dabei kann es sich um eine Spule aus gewickeltem Draht oder dergleichen handeln. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Spule 92 jedoch als gedruckte oder geätzte Leiterbahn auf einem Bauteilträger ausgebildet. Unabhängig davon besitzt die Spule 92 hier einen im Zentrum angeordneten Ferritkern 94. Der Ferritkern konzentriert die magnetischen Feldlinien 50, er sorgt jedoch im Gegensatz zu den gattungsgemäß verwendeten Ferrittöpfen nicht für eine einzelne Betriebs- oder Vorzugsrichtung. Es versteht sich, dass ein solcher Ferritkern auch in den vorherigen Ausführungsbeispielen Verwendung finden kann.
Die Spule 92 ist hier zusammen mit anderen Bauelementen 96 des Sensors auf einem Bauteilträger 98 angeordnet. Beispielhaft, jedoch nicht beschränkend, ist hier als anderes Bauelement ein IC dargestellt, bei dem es sich beispielsweise um einen ASIC handeln kann.
Die Betätigerantenne 56 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls als flache (Luft-) Spule ausgebildet. Wie anhand der Fig. 5 und 6 dargestellt ist, kann die Betätigerantenne 56 aufgrund der ausladenden Feldlinienverteilung von mehreren Positionen aus mit der Sensorantenne 92 transformatorisch gekoppelt werden. Damit ist ein Anfahren des Sensor aus verschiedenen Richtungen möglich, ohne dass der Sensor oder die Sensorantenne ummontiert werden müssen. Andererseits ergibt sich durch die liegende Anordnung der Antennen eine sehr flache Bauform, die insbesondere bei der in Fig. 6 dargestellten Anfahrposition eine kleinbauende Montage ermöglicht. Die vorliegende Erfindung wurde hier an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt, bei denen auf Seiten des Betätigers 16 ein an sich bekannter Transponder (Tag) zur Anwendung kommt. Dementsprechend muss die transformatorische Kopplung zwischen Betätiger 16 und Sensor 18, genauer zwischen der Betätigerantenne 56 und der Sensorantenne 46, stark genug sein, um den Transponder anzuregen. Dieser Zustand wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als transponderartige Kopplung bezeichnet. Abweichend von diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Prinzip der Erfindung allerdings auch bei Sicherheitsschaltern angewendet werden, die nicht auf der Auswertung eines Transponders beruhen. Der allgemeine Anwendungs- fall schließt daher auch transformatorische Kopplungen zwischen Betätiger 16 und Sensor 18 ein, die ohne Transponder auskommen.

Claims

Patentansprüche
1. SicherheitsSchalter zum Überwachen einer Schließposition zweier relativ zueinander beweglicher Teile (12, 20), insbesondere zum Überwachen einer Schutztür an einer automatisierten Anlage (10), mit einem Betätiger (16) und mit einem Sensor (18), die an jeweils einem der Teile (12, 20) fixierbar sind, wobei der Betätiger (16) eine Betätigeran- tenne (56) und der Sensor (18) eine Sensorantenne (46; 92) besitzen, über die der Betätiger (16) und der Sensor (18) in der Schließposition der Teile (12, 20) transformatorisch, insbesondere transponderartig, gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorantenne (46; 92) eine magnetische Richtcharakteristik (62; 82) besitzt, die ausgehend von der Sensorantenne (46; 92) in zumindest zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen (64, 66, 68) eine transformatorische Kopplung mit dem Betätiger (16) ermöglicht.
2. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorantenne (46; 92) eine im wesentlichen rundstrahlerartige Richtcharakteristik (62; 82) besitzt.
3. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorantenne (46) eine Vielzahl von Teilantennen (86, 88) mit unterschiedlich ausgerichteten Richtcharakteristiken beinhaltet.
4. SicherheitsSchalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorantenne (46) eine Luftspule beinhaltet.
5. SicherheitsSchalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorantenne (92) eine Spule beinhaltet, die auf einem Bauteilträger (98) des Sensors (18) flach angeordnet ist, insbesondere als Leiterbahn auf dem Bauteilträger (98) ausgebildet ist.
6. Sicherheitsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtcharakteristik (62) eine stärkere erste (72) und eine schwächere zweite (74) Vorzugsrichtung für die transformatorische Kopplung aufweist und dass die Sensorantenne (46) in einem Antennengehäuse (38) mit Gehäusewänden (40, 42, 44) angeordnet ist, wobei ein Abstand ( dλ ) zwischen Sensorantenne (46) und Gehäusewand (40, 42, 44) in der ersten Vorzugsrichtung (72) größer ist als in der zweiten Vorzugsrichtung (74).
7. SicherheitsSchalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorantenne (46) senkrecht zu der ersten Vorzugsrichtung (72) in gleichem Abstand (d2) zu zumindest zwei Gehäusewänden (42, 44) angeordnet ist.
8. SicherheitsSchalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Sensorgehäuse (38) mit einer Montageseite, wobei zwischen der Sensorantenne (46) und der Montageseite eine Feldisolierung (52), insbesondere eine elektrisch und/oder magnetisch leitfähige Platte, angeordnet ist.
9. Sicherheitsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Sensorgehäuse (38) mit einer Montageseite, wobei ein Abstand (d3) zwischen der Sensorantenne (46) und der Montageseite etwa 5 mm oder mehr beträgt.
10. Sicherheitsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigerantenne (56) bei der transformatorischen Kopplung in einer ersten (64) der zumindest zwei senkrechten Raumrichtungen eine erste Orientierung (16) und bei der transformatorischen Kopplung in einer zweiten (68) der zumindest zwei senkrechten Raumrichtungen eine zweite Orientierung (16'') aufweist, wobei die erste und die zweite Orientierung um etwa 90° verdreht zueinander sind.
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